В современном мире существуют два основных типа транспортных средств.

АВТОМОБИЛИ имеют более высокий комфорт, безопасность, грузоподъемность и т.д., но нельзя не отметить и тот факт, что существующая концепция четырехколесного транспортного средства (автомобиля) не менялась со времен появления телеги и уже не удовлетворяет современным требованиям по маневренности, экономичности, уровню выбросов в окружающую среду и т.п.

МОТОЦИКЛЫ отличаются предельной простотой и надежностью конструкции. Это рама с седлом, двигатель и колеса, переднее из которых - поворотное. Они обладают высокой маневренностью и проходимостью, но практически не защищают водителя от погодных условий, не обеспечивают его безопасность, поэтому почти вытеснены автомобилями.

Но существует концепция, которая объединяет преимущества мотоциклов и автомобилей. Это машина с кузовом автомобиля и двухколесной конструкцией ходовой части. Такая машина (монокар) может обладать комфортом, грузоподъемностью и безопасностью автомобиля и маневренностью, экономичностью и проходимостью мотоцикла.

Устойчивость мотоцикла зависит от равновесия действующих на него сил. Мотоцикл может быть устойчивым только при совпадении точки опоры и равнодействующих сил. При прямолинейном движении такая сила одна. Это сила тяжести, приложенная к центру масс и направленная вертикально вниз. Отклонений от точки опоры она не имеет, следовательно, нет и опрокидывающей силы.

При движении по окружности на машину действует еще и центробежная сила, направленная наружу и создающая опрокидывающий момент. Для удержания машины в равновесии равнодействующая этих сил должна проходить через точку опоры. В мотоциклах баланс достигается либо отклонением водителя в сторону, противоположную опрокидывающему моменту, либо поворотом руля в сторону наклона машины. То есть либо центр тяжести отклоняется до совпадения с точкой опоры, либо точка опоры отклоняется к центру тяжести. При этом равновесие должно поддерживаться с высокой точностью, в противном случае неизбежно опрокидывание мотоцикла в сторону наибольшей действующей силы. Следовательно, устойчивость мотоцикла при движении по окружности зависит от:

1. Скорости движения мотоцикла

2.  Радиуса поворота

3.  Угла наклона мотоцикла

4.  Смещения вылета переднего колеса

Предельный угол наклона машины зависит от конструкции и формы кузова машины. Существует зависимость скорости движения и безопасного радиуса поворота.

V2 = g * R* ctg a,

где V - скорость движения мотоцикла, м/сек,

g - ускорение свободного падения, 9,8 м/сек2,

R - радиус поворота мотоцикла, м,

ctg a - котангенс угла наклона.

При выполнении этих условий переднее колесо нужно поворачивать к центру вращения.

Если требуется пройти поворот с большей скоростью, то мотоцикл должен наклоняться на больший угол при вхождении в поворот и переднее колесо мотоцикла должно быть повернуто в сторону, противоположную повороту. Это делается для большего смещения точки опоры мотоцикла к центру тяжести. Если для сохранения равновесия этого недостаточно, то водитель отклоняет тело от центра вращения до совпадения равнодействующих сил и точки опоры. Для одноколейного транспортного средства подобные маневры могут быть невозможны из-за более широкого кузова.

Ошибочно считают, что при этом на мотоцикл оказывает влияние гироскопический момент колес. Влияние его незначительно, так как при массе покрышки и обода 3кг, скорости вращения 833 об/мин и скорости поворота руля 0,2 об/мин гироскопический момент колеса равен: 0,35кг. В то же время отклонение центра тяжести или точки опоры мотоцикла на 10 см при высоте центра тяжести 100 см и массе мотоцикла и водителя 140 кг создает отклоняющую силу в 14 кг.

Таким образом, при повороте дополнительное отклонение центра тяжести от точки опоры в килограммах должно быть равно восстанавливающей силе гироскопического момента маховика в килограммах.

Наверное, каждый видел, как на мотогонках мотоциклист, не вписавшись в поворот, скользит по земле в сторону заноса, а следом кувыркается его мотоцикл. Это может произойти с каждой двухколесной машиной. Отличительной особенностью любой двухколесной машины является то, что на виражах она может наклоняться к центру поворота. Это позволяет проходить повороты без заносов с большим ускорением. Но только до тех пор, пока центробежная сила не превысит силу трения. И тогда вылет на обочину неизбежен.

Для двухколесных машин существует определенная зависимость предельного угла наклона от радиуса поворота. Угол наклона монокара зависит от особенностей конструкции, например, ограничен размерами кузова (35 градусов). Если вывернуть руль слишком круто, то монокар ляжет на бок и будет скользить на нем по дороге в сторону заноса. Кувыркатся подобно мотоциклу монокар не сможет из-за маховика. У него слишком большой гироскопический момент сил. Скорее всего, он будет поворачиватся вокруг точки контакта, да и то вряд ли. Водитель и пассажир, разумеется, останутся внутри. Ощущения у них, наверное, будут не из приятных, но каких-либо повреждений или травм им удастся избежать. Их даже внутри кузова болтать не будет, поскольку вектор центробежной силы только вдавит их в кресло.

На выступающей части кузова слева и справа можно установить небольшую площадку - опору. Тогда в случае крутого разворота монокар ляжет не на кузов, а на опору. Это позволит в прямом и переносном смысле слове сделать КРУТОЙ разворот.

Для сохранения равновесия одноколейных транспортных средств можно использовать маховик, который также используется и для рекуперации энергии при разгонах и торможениях. Задача маховика заключается в компенсации возникающих возможных отклонений. Восстанавливающая сила маховика зависит от скорости его вращения. При снижении скорости вращения маховика с горизонтальной осью вращения он начинает отклоняться от вертикали на угол, определяемый равнодействующей силы тяжести и восстанавливающего гироскопического момента.

На остановке гироскопический момент маховика будет максимальным, удерживая машину в вертикальном положении, а при увеличении скорости он будет постепенно снижаться, позволяя наклонять машину для совершения поворотов, так как энергия маховика должна расходоваться на движение машины.

В некоторых конструкциях ось вращения маховика была горизонтальна и маховик вращался в ту же сторону, что и колеса. Наклон такого маховика влево вызывает дополнительный поворот машины влево. Это может облегчить вхождение в поворот, но может служить и дестабилизирующим фактором.

Из этого следует вывод: если направление вращения маховика с горизонтальной осью вращения совпадает с направлением вращения колес, то такая машина более маневренна, но менее устойчива. И, соответственно, наоборот.

Если ось вращения маховика вертикальна, то ее следует отклонять вперед-назад. Но при вертикальной оси гироскопический эффект может вносить дополнительный занос в поворот (подобно винту одноосного вертолета), и понадобиться ставить второй маховик с противоположным направлением вращения. Кроме того, маховик с вертикальной осью обладает дестабилизирующим фактором. При движении в гору или под гору на машину будет дополнительно влиять гироскопический момент, отклоняющий машину вправо или влево. Для компенсации такого эффекта потребуется компенсирующее отклонение руля или установка дополнительного маховика с противоположным направлением вращения.

На гирокаре П.П. Шиловского маховик крепился на раме, позволяющей отклонять его ось, восстанавливая тем самым равновесие машины. Рама отклонялась по сигналу датчиков крена. Можно вместо рамы дополнительно поворачивать или наклонять переднее колесо до совпадения точки опоры с центром тяжести. Поворачивать колесо можно также по сигналу датчика крена.

Но если удастся найти точную зависимость между влияющими на машину силами, то можно будет обойтись и без датчиков крена и т.д.

Зависимости:

· отклонение от точки опоры зависит от угла поворота переднего колеса

· угол поворота переднего колеса зависит от радиуса поворота машины

· радиус поворота зависит от скорости движения машины

· скорость вращения маховика зависит от скорости движения машины

· восстанавливающая сила маховика зависит от скорости его вращения

· от направления вращения маховика с горизонтальной осью зависит устойчивость и маневренность машины

· от предельной скорости движения зависит мощность двигателя

Применение маховика на автомобиле имеет следующие преимущества:

· снижение расхода топлива вдвое за счет рекуперации (возврата) энергии

· уменьшение требуемой мощности двигателя до 40 %

· возможность работы двигателя в точке оптимального режима

· устранение различных систем пуска двигателя и режима холостого хода

· более эффективное (безюзовое) торможение

Удельный расход топлива минимален при работе двигателя примерно на 80 % мощности и раза в 3-4 выше при 10 % процентах. Однако именно эти 10 % процентов и требуются при городском движении большую часть времени. В городском режиме движения также большая часть энергии расходуется при часто чередующихся разгонах и торможениях. Для снижения таких расходов наиболее реально применение гибридных двигателей, представляющих собой маховик в сочетании с двигателем внутреннего сгорания или электромотором.

Двигатель, работая на режиме максимальной экономичности, закачивает в него энергию, поддерживая частоту вращения в определенном диапазоне. Энергия, необходимая для движения автомобиля, отбирается через бесступенчатую передачу. В случае торможения кинетическая энергия автомобиля переходит обратно в маховик.

Монокар позволяет уменьшить потери энергии за счет таких решений:

Масса машины. Для снижения массы можно значительно упростить и облегчить конструкцию, удалив некоторые узлы и агрегаты. На монокаре могут не потребоваться двигатель большой мощности (и массы), КПП, радиатор, стартер, генератор, подвеска двух колес, трансмиссия и многое другое. монокар можно сделать приблизительно раза в два легче обычной машины.

Аэродинамическое сопротивление. Создание кузова более обтекаемой формы. Современный автомобиль имеет коэффициент аэродинамического сопротивления Cx=0,4. Если попробовать сделать трехместный кузов в виде капли и разместить двух человек в широкой части и одного сзади в узкой, то можно получить коэфффициент Cx=0,2 или даже меньше. Но подобную форму можно применить только на двухколесной машине, поскольку четыре колеса все равно потребуют прямоугольной формы со всеми вытекающими последствиями.

У большинства современных автомобилей он составляет 0,4. У монокара, благодаря более обтекаемой конструкции двухколесного кузова, он может быть равен 0,2 или даже меньше.

КПД двигателя. Желательно отказаться от двигателя внутреннего сгорания с КПД 18-20% и применять электродвигатель (КПД 90%). Существенно снизить требуемую мощность двигателя может применение маховика.

Рекуперация энергии. Применение маховика для рекуперации (накопления) энергии торможения с последующей отдачей при разгоне. Если в обычных машинах эта энергия расходуется только на нагрев тормозных колодок, то с применением маховика удается значительно (почти в 2 раза) снизить расход топлива по сравнению с движением в городском режиме.

Сопротивление дороги. Двухколесному монокару потребуется значительно меньше энергии на преодоление сопротивления дороги.

4000H * 0,02 = 80 H

Для пробега в 100 км потребуется 80 * 100.000 = 8.000.000 Дж, что составляет мощность 2.2 кВт/час. (3 л.с.)

В центре машины между сиденьями водителя и пассажира размещен маховик. Над маховиком - ручка управления типа джойстик . Непосредственно перед маховиком - узел крепления передней подвески. Сиденье заднего пассажира размещено точно по центру между передними сиденьями. За задним сиденьем небольшой багажник. Под багажником - подвеска заднего колеса.

Кузов представляет собой конструкцию из металлического каркаса и навесных элементов облицовки. Продольно в центре машины находится силовая рама с маховиком и подвесками колес. Кузов двухдверный, с вертикальным открыванием дверей относительно середины лобового стекла. Машина имеет 2 небольших багажника по бокам колесной ниши переднего колеса. Над колесной нишей заднего колеса багажников нет в целях улучшения аэродинамики кузова.

Решением многих проблем монокара будет применение так называемых мотор-колес. Причем технологически оправдано применение трех однотипных мотор-колес. Двух непосредственно в колесах и одного в качестве маховика. Они будут отличаться только максимальной скоростью вращения и массой ротора. Для маховика масса ротора должна быть не менее 20 кг.

Таким образом, вся кинематика машины будет состоять только из двух колес, маховика и электронного блока управления. Блок управления нужен для передачи энергии с маховика на колеса и обратно.

Японскими фирмами сконструированы легкие бесколлекторные электродвигатели постоянного тока на редкоземельных магнитах с максимальным КПД до 98% и высокоэффективные микропроцессорные системы управления. Эти низкооборотные двигатели встроены непосредственно в ступицы ведущих колес. Это дало возможность отказаться от механической трансмиссии и благодаря этому довести общий КПД привода до 96-97%. Серийно производятся мотор-колеса мощностью 200-250 Вт для легких электротранспортных средств - например, для электровелосипедов, которые уже появляются на дорогах мира.

Преимущества применения мотор-колес на транспортных средствах:

· компоновка автомобиля улучшается благодаря достаточно свободному выбору места установки мотор-колеса относительно других агрегатов автомобиля;

· общая масса агрегатов электропривода (не только мотор-колес) снижается по сравнению с массой агрегатов гидромеханического привода;

· желаемое распределение массы автомобиля по осям получается вследствие возможности варьировать базой автомобиля;

· число деталей и узлов механической передачи, подверженных интенсивному износу в эксплуатации, сокращается, что повышает надежность системы в целом;

· возможность реализации одним мотор-колесом большой мощности, что позволяет повысить грузоподъемность автомобиля без увеличения числа ведущих колес;

· возможность бесступенчатого или в крайнем случае двухступенчатого регулирования силы тяги;

· торможение на затяжных уклонах большой величины высокоэффективно и надежно благодаря использования электрического тормоза

Управление машиной осуществляется рукояткой типа джойстик , установленной между креслами водителя и пассажира. На рукоятке также находятся кнопки включения фары, поворотов, сигнала и др. Управление осуществляется изменением передаточного числа вариатора. При наклоне рукоятки вперед-назад и влево - вправо происходит соответственно торможение-разгон и повороты машины. При максимальном отклонении рукоятки вперед может происходить срабатывание дополнительного тормозного захвата заднего колеса.

Панель управления имеет небольшие габариты, цифровую индикацию на светодиодах и может быть размещена в любом удобном месте, например на зеркале заднего вида в центре машины. Вместо индикации можно применить синтезатор речи.

Индицировать можно:

1. Скорость движения машины;

2. Повороты (можно заменить огнями на зеркалах заднего вида);

3. Положение дверей (люков) и багажников (открыты или закрыты).

В монокаре ручку управления и панель приборов лучше убрать в сторону. Так как перед водителем и пассажиром больше не существует травмирующего препятствия, то возможно применение векторной системы безопасности. В такой системе кресло обладает возможностью в случае лобового столкновения откатываться вперед, в свободную зону с одновременным наклоном назад. После удара кресло на амортизаторах возвращается в исходное положение. Такая система более надежна, чем ремни и подушки безопасности. При особенно сильных ударах возможно даже применить катапультирование кресла через лобовое стекло до полного погашения инерции удара.

Боковые удары для машины с работающим маховиком безопасны, поскольку не смогут привести к опрокидыванию. Машина, подобно маятнику, только качнется вокруг вертикальной оси. А при движении по обочине или косогору машина все равно будет сохранять вертикальное положение кузова. Если при очень крутом боковом наклоне обычная машина опрокинется, монокар будет только скользить вниз по склону, сохраняя вертикальное положение.

При равномерном движении кресло находится в вертикальном положении. При резком торможении кресло откатывается по направляющим вперед, одновременно поворачиваясь в горизонтальное положение. При этом угол наклона кресла зависит от силы торможения и при снижении этой силы кресло возвращается в исходное положение.

В машине можно предусмотреть несколько способов торможения:

Кинетическое. Основной способ. Это когда кинетическая энергия машины превращается в кинетическую энергию маховика.

Электродинамическое. Электроэнергию с мотор-колес можно гасить на балластном сопротивлении. Например, направить на электроотопитель.

Дифференциальное. Если переднее мотор-колесо включить в противофазе с задним, то оно станет вращаться в противоположном направлении вплоть до полной остановки машины и переднего колеса.

Шаговое. Мотор-колесо является шаговым электродвигателем. Можно задать частоту вращения магнитного поля ротора сколь угодно низкой влоть до нуля. Это фактически будет являться остановкой ротора.

Фрикционное. Если между ротором и статором помесить фрикционную прокладку, и подвесить ротор в магнитном поле или на воздушной подушке (газовый подшипник), то при выключении подшипника ротор всей массой машины ляжет на статор. Это аналог обычных дискового или барабанного тормоза.

Механическое. Если изменить высоту подвески, то машина может лечь на днище и тормозить выступающими частями кузова. Таким способом можно затормозить даже на льду.

Фара находиться под колпаком переднего колеса. Она может опускаться в нишу из переднего багажника. Фара может также поворачиваться в горизонтальной плоскости на 360°, обеспечивая освещение при поворотах и движении задним ходом.
Фара сделана в виде цилиндра, в центре оптической оси которого находиться источник света. Часть цилиндра сделана прозрачной, остальная часть покрыта отражающим слоем. В задней части может быть установлен красный светофильтр, который при повороте фары при движении назад будет светить вперед, выполняя функции стоп-сигнала.

В машине используется зависимая тросовая система подвески и компенсирующий амортизатор. Передняя и задняя подвески соединены тросом таким образом, что нагрузка на переднее колесо, отклоняющая колесо вверх компенсируется отклонением заднего колеса вниз и наоборот. В качестве амортизирующей силы используется половина веса машины. Изменением длины троса можно регулировать высоту машины вплоть до опускания на днище на стоянке или в режиме экстренного торможения.

Технические характеристики монокара:

Длина - 4000 мм.

Ширина - 1500 мм.

Высота - 1500 мм.

База - 3000 мм.

Клиренс - 350 мм.

Количество мест - 3 чел.

Количество дверей кузова - 2.

Грузоподъемность - 200-250 кг.

Привод -вероятно, полный.

Подвеска - зависимая.

Низкий расход топлива (не более 1л. на 100км.).

Пониженный уровень выхлопов СО2 и CN.

Малый вес (не более 400 кг).

Простота и надежность конструкции.

Простота в управлении и обслуживании.

Высокая маневренность (радиус разворота около 4 м).

Низкий коэффициент аэродинамического сопротивления.

Низкая стоимость